A che serve l'informatica quantistica?

Molti di noi su questo sito credono che il calcolo quantico funzionerà. Comunque, giochiamo all'avvocato del diavolo. Immagina di aver improvvisamente colpito qualche ostacolo fondamentale che ha impedito l'ulteriore sviluppo verso un computer quantistico universale. Forse siamo limitati a un dispositivo NISQ (Noisy, Intermediate Scale Quantum) di 50-200 qubit, per ragioni di discussione. Lo studio dell'informatica quantistica (sperimentale) si interrompe improvvisamente e non vengono compiuti ulteriori progressi.

A che serve lo studio dei computer quantistici?

Con questo intendo tecnologie quantistiche realizzabili, il candidato più ovvio è la distribuzione quantistica delle chiavi, ma anche risultati tecnici che si inseriscono in altri campi. Piuttosto che semplicemente un elenco di elementi, una breve descrizione di ciascuno sarebbe apprezzata.

Ci sono molte applicazioni interessanti che usano una tecnologia simile. Molti laboratori che lavorano al calcolo quantistico pubblicano anche articoli con queste applicazioni.

Qui ce ne sono alcuni:

Calcolo completamente ottico. Personalmente, penso che questo abbia più potenziale del calcolo quantistico, in quanto si è già dimostrato utile per l' elaborazione rapida di reti neurali (e altri algoritmi che coinvolgono la moltiplicazione di matrici e funzioni non lineari). Questi sistemi on-chip sono realizzati negli stessi laboratori (e stesse persone) del calcolo quantistico lineare basato su misurazioni . Progettare sistemi in grado di funzionare più velocemente delle velocità di clock dei semiconduttori, abbassare la potenza minima per operazione usando la luce e aumentare la parallelizzazione probabilmente ci porterà molto lontano senza la necessità di cambiare architetture algoritmiche.

Simulazione quantistica . Il sogno originale di Richard Feynman di "computer quantistici" sono ora chiamati "simulatori analogici quantistici". La natura si comporta come la natura. Può essere difficile calcolare analiticamente o digitalmente come si comporta un atomo di idrogeno, ma usare un sistema con un Hamiltoniano simile può "fare i conti con te". I reticoli ottici (che a volte vengono utilizzati per il calcolo quantistico degli ioni ) possono essere utilizzati per questi simulatori quantistici. È molto difficile fare calcoli di molecole usando la fisica fondamentale e la chimica è piena di euristica per affrontare queste difficoltà.

Ricostruzione dello stato quantico . Un problema aperto di solito non menzionato nell'informazione quantistica e nell'informatica è come ricostruire stati intrecciati ad alto qbit. Anche se il calcolo quantistico non funziona, i progressi compiuti in queste domande aperte potrebbero essere utili in futuro (ad esempio, i protocolli di distribuzione chiave e la teoria dell'informazione).

Comunicazione quantistica. La distribuzione di Quantum Key è probabilmente l'unica applicazione pratica funzionante creata così lontano dalle informazioni quantistiche. Consente il trasferimento sicuro delle informazioni senza la possibilità di intercettazioni. Operazioni di gate fotonici ad alta fedeltà (create per computer quantistici) potrebbero consentire efficienti ripetitori quantici , che potrebbero estendere la massima distanza percorribile.

Cose extra divertenti. Personalmente, penso che la cosa più interessante sia rispondere se il cervello è un computer quantistico. La possibilità che il cervello sia un computer quantistico è stata colpita da molti fisici nell'ultimo decennio, respingendo le alte temperature del cervello per distruggere la coerenza, ma i fisici di grande reputazione (e lodevole) hanno recentemente sfidato questa nozione. Uno parla di come gli spin nucleari potrebbero essere il mediatore delle informazioni quantistiche, un altro di come gli esperimenti potrebbero essere condotti per investigare se gli assoni funzionano come guide d'onda.

Esecuzione e verifica di esperimenti di base di meccanica quantistica Prima dei computer IBM e alibaba quantum cloud, sarebbe necessario un laboratorio costoso per eseguire semplici esperimenti CHSH o GHZ. Naturalmente i qubit nel computer IBM non sono liberi da scappatoie, ma molti istituti e anche scuole superiori non potevano avere strutture di esperimento migliori acquistate nel loro budget di fisica. Quindi gli esperimenti di meccanica quantistica di base possono essere fatti molto facilmente.

Strumenti ed esperimenti di programmazione quantistica Inoltre, la ricerca di base nella programmazione di strumenti informatici quantistici come compilatori e algoritmi di mappatura può ora essere testata su macchine reali

Ciò ha portato a 113 articoli con algoritmi quantistici reali e testati per il solo computer IBM e molti altri in generale. documenti di qualità

Pensare alle capacità teoriche dei computer quantistici ha portato a importanti approfondimenti sulla teoria dei computer classici.

Un esempio è la prova che la classe di complessità (classica) PP è chiusa sotto intersezione. Sebbene esistesse già una dimostrazione puramente classica dovuta a Beigel, Reingold e Spielman, esiste una dimostrazione più semplice che utilizza concetti del calcolo quantistico.

Un esempio più impressionante sono gli algoritmi di raccomandazione classici ( 1 , 2 , 3 ) scoperti da Ewin Tang e collaboratori, che sono stati ispirati dall'algoritmo quantistico Kerendis-Prakash. Questi algoritmi erano davvero nuovi e non avrebbero potuto essere scoperti senza l'ispirazione dell'algoritmo quantistico.

L'esecuzione di un dispositivo NISQ in un modo che supera asintoticamente un computer classico invalida l'Extended Church-Turing Thesis (ECT).

Tomi voluminosi scritti sulla tesi (non estesa) di Church-Turing, con implicazioni per rami della filosofia come la filosofia della mente.

Il fatto che l'ECT ​​non fosse solo falsificabile, ma probabilmente anche falso semplicemente in virtù dell'esistenza di un dispositivo NISQ che prepara in modo affidabile uno stato fortemente impigliato in una dimensione sufficientemente elevata, penso che abbia anche implicazioni filosofiche piuttosto profonde.

È raro che i principi filosofici guida possano essere falsificati in un laboratorio.